The possibilities of using a virtual engineering laboratory in the practical training of information security specialists

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Problem statement. In the modern education system, special attention is paid to the formation of professional competencies. Informatization of education and the introduction of innovative educational technologies, including virtual and augmented reality technologies, open up new opportunities for improving the quality of education. The use of virtual simulators and simulators allows you to simulate complex cyber-physical systems and realistic scenarios, contributing to the formation of practical skills and competencies in conditions as close as possible to real ones. Of particular relevance in the training of specialists in engineering and technical information protection, where traditional forms of practical training are limited, is the introduction of virtual simulators and laboratories that simulate working with modern security systems in a secure and controlled environment. The purpose of the research is to improve the quality of training specialists in the field of information security through the development and practical application of a virtual engineering laboratory that allows simulating the solution of real professional tasks. Methodology. The problem is considered using the example of the section “Engineering and technical information protection” of the discipline “Information Protection”. The approbation was carried out on the basis of Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev - KAI with students of the direction 09.03.03 “Applied Informatics”. Students were asked to model an information security system for a given facility in the following areas: protection against leaks through technical channels; security of networks and data transmission systems; the use of security and fire alarm systems as elements of physical and engineering safety. Results. In the process of studying the section “Engineering and technical information protection”, a comparative assessment of the quality of education of two groups of students was carried out: the first used a virtual laboratory in combination with traditional methodological guidelines, the second used only traditional materials. The use of a virtual laboratory has improved the quality of training by increasing the accuracy of solving problems, reducing the time required to complete cases and reducing the error rate. Conclusion. The possibility of using a virtual engineering laboratory in the practical training of information security specialists confirms the expediency of its use to solve real problems of engineering and technical information protection.

Full Text

Постановка проблемы. В современной системе образования особое внимание уделяется формированию профессиональных компетенций. Информатизация образовательного процесса и интеграция инновационных цифровых технологий, таких как средства виртуальной и дополненной реальности, открывают новые возможности для повышения качества обучения. Применение виртуальных тренажеров и иммерсивных сред позволяет моделировать сценарии решения профессиональных задач в условиях, максимально приближенных к реальным [1-3]. Особую актуальность данный подход приобретает в подготовке специалистов в области инженерно-технической защиты информации, где традиционные формы практического обучения имеют ряд ограничений. Например, организационные ограничения связаны с обеспечением доступа к реальным объектам (предприятиям, критически важным инфраструктурам и др.), материально-технические - недостаточным оснащением специализированных лабораторий современными средствами защиты информации (ЗИ) и др. Реализация данного подхода способствует развитию и формированию практических компетенций, необходимых для профессиональной деятельности. Цель исследования - повышение качества подготовки специалистов в области ЗИ за счет разработки и практического применения виртуальной инженерно-технической лаборатории, позволяющей имитировать решение реальных профессиональных задач. Методология. Анализ литературных источников [4-8] свидетельствует о наличии виртуальных тренажеров, моделирующих системы инженерно-технической ЗИ, включая контроль доступа, видеонаблюдение, охранно-пожарную сигнализацию, защиту периметра и противодействие утечкам по техническим каналам объекта информатизации. Под объектом информатизации понимается совокупность физических помещений и информационных ресурсов, подлежащих защите от внутренних и внешних угроз информационной безопасности (ИБ). Для достижения цели исследования использовались методы системного анализа, моделирования и проектирования, программной реализации, эксперимент, а также статистической обработки данных. Предлагается программное обеспечение - виртуальная лаборатория, предназначенная для имитации решения реальных профессиональных задач на примере раздела «Инженерно-техническая защита информации» дисциплины «Защита информации». Студентам было предложено смоделировать систему защиты объекта по направлениям: противодействие утечкам по техническим каналам; безопасность сетей передачи данных; применение средств охранно-пожарной сигнализации в рамках физической и инженерно-технической защиты. Результаты и обсуждение. Разработка программного обеспечения - виртуальной лаборатории осуществлялась в среде Unity с использованием языка C#. В процессе разработки применялся итеративный подход, включающий циклы тестирования и отладки на локальной машине Lenovo Ideapad 310-15ISK с x64-архитектурой. Конфигурация тестового оборудования включала процессор Intel® Core™ i5-6200U (2,30 ГГц, 2 ядра, 4 логических процессора). Виртуальная лаборатория моделирует объект информатизации, позволяя пользователям: 1) интерактивно отрабатывать методы обнаружения уязвимостей; 2) осваивать установку и настройку технических средств защиты информации (ТСЗИ). В основу программного обеспечения заложены модели ТСЗИ: ФЭПС-10, SEL SP-157 «Шагрень», SEL SP-157VP, SEL SP-157VPS, SEL SP-157AS, МП-8 «Сигма-РА», комплект системы контроля доступа (СКУД) ATIS № 4 с электромагнитным замком и бесконтактной кнопкой выхода, а также IP-камера видеонаблюдения ST-183M IP STARLIGHT H.265 [9-14]. Эти средства являются инструментами для формирования компетенций обучаемых при решении задач инженерно-технической ЗИ. На программный код виртуальной лаборатории получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2025666993[17]. Алгоритм взаимодействия обучаемого с программным обеспечением состоит из определенных шагов. 1. Погружение в виртуальную среду офиса. 2. Анализ уязвимостей - обследование инфраструктуры на наличие угроз ИБ. 3. Выбор и изучение ТСЗИ. 4. Подготовка и установка - перенос в активную зону, выбор точек размещения и фиксация ТСЗИ. 5. Цикл - шаги 3-4 повторяются для всех необходимых средств. 6. Проверка и коррекция результата, исправление ошибок. 7. Завершение - задание считается выполненным после успешной проверки. Экспериментальное исследование. Исследование проводилось в три этапа в течение 4 месяцев на базе Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева - КАИ. В эксперименте участвовали 42 обучающихся направления 09.03.03 «Прикладная информатика» (средний возраст - 21 год; 12 % девушек, 88 % юношей). На первом этапе определялся исходный уровень теоретических знаний и компетенций студентов в области инженерно-технической ЗИ, а также интерес к данной предметной области. Опрос респондентов осуществлялся с использованием средств Yandex Forms по следующим блокам: самооценка уровня цифровых компетенций; наличие практического опыта работы с ТСЗИ; знание правил установки ТСЗИ; знание правил размещения оборудования в серверной стойке; интерес к технической ЗИ. Анализ результатов исследования первого этапа показал, что 78 % респондентов знакомы с некоторыми видами ТСЗИ, но лишь 12 % имеют практический опыт, 67 % студентов затруднились оценить свой уровень знаний по правилам установки ТСЗИ и правилам размещения оборудования в серверной стойке. У 83 % респондентов имеется интерес к технической защите информации. Следовательно, внедрение виртуальной лаборатории в учебный процесс может повысить качество обучения за счет реализации активных, имитационных форм, способствующих формированию практических компетенций в условиях, приближенных к профессиональной деятельности. В рамках второго этапа экспериментального исследования использовались: 1) разработанное программное обеспечение - виртуальная лаборатория; 2) методические материалы, включающие практические задания по выявлению угроз и каналов утечки информации, кейсы по моделированию системы ЗИ с размещением средств защиты на ситуационном плане объекта информатизации. Рассмотрим пример кейса. Кейс представляет собой моделируемый процесс выбора и размещения ТСЗИ в виртуальной среде с последующей проверкой. 1. Выбор сценария. Студент запускает лабораторию и выбирает одно из трех виртуальных пространств для моделирования: • инженерно-техническая защита информации - офисное помещение, в котором вращается конфиденциальная информация; • сети и системы передачи данных - сетевая инфраструктура офиса; • охранная и пожарная сигнализация - периметр и внутренние помещения объекта. 2. Размещение средств защиты. Студент анализирует угрозы, каналы утечки информации и выбирает необходимые ТСЗИ из каталога. Требуется корректно разместить выбранные средства (например, камеры, датчики) на виртуальном объекте. На рисунках 1-3 показаны интерфейсные формы пространства виртуальной лаборатории «Инженерно-техническая защита информации». Рис. 1. Интерфейсная часть диалогового окна пространства виртуальной лаборатории «Инженерно-техническая защита информации» Источник: создано М.В. Тумбинской, Б.И. Гатауллиным, Э.И. Хаеровой. Figure 1. The interface part of the dialog box of the virtual laboratory space Engineering and Technical Information Protection Source: created by Marina V. Tumbinskaya, Bulat I. Gataullin, Endzhe I. Haerova. 3. Проверка решения. Система автоматически проверяет результат по параметрам: • полнота покрытия - защищены ли все критические зоны; • соответствие стандартам - соблюдены ли нормативы ГОСТ Р 524352015, ГОСТ Р 56627-2015, ГОСТ Р 57142-2016 (зоны контроля, расстояния и т.д.); • отсутствие конфликтов - корректно ли взаимодействуют средства между собой; • обратная связь - «Успех» - правильно установленные ТСЗИ подсвечиваются зеленым; «Неудача» - ошибочные элементы выделяются красным с подсказками по исправлению. Студент итеративно вносит коррективы и повторяет проверку до полного устранения ошибок. Рис. 2. Интерфейсная часть диалогового окна пространства виртуальной лаборатории «Инженерно-техническая защита информации» с доступным набором средств защиты Источник: создано М.В. Тумбинской, Б.И. Гатауллиным, Э.И. Хаеровой. Figure 2. The interface part of the dialog box of the virtual laboratory space Engineering and Technical Information Protection with an available set of security tools Source: created by Marina V. Tumbinskaya, Bulat I. Gataullin, Endzhe I. Haerova. Рис. 3. Интерфейс диалогового окна пространства виртуальной лаборатории «Инженерно-техническая защита информации» выбора и размещения средств защиты Источник: создано М.В. Тумбинской, Б.И. Гатауллиным, Э.И. Хаеровой. Figure 3. Interface of the dialog box of the virtual laboratory space Engineering and Technical Information Protection for the selection and placement of security tools Source: created by Marina V. Tumbinskaya, Bulat I. Gataullin, Endzhe I. Haerova. В процессе изучения раздела «Инженерно-техническая защита информации» была проведена сравнительная оценка качества обучения двух групп студентов. Первая группа выполняла практические задания с использованием виртуальной лаборатории и традиционными методическими указаниями; вторая - только с использованием традиционных методических материалов. Анализ результатов показал, что возможности применения виртуальной лаборатории в учебном процессе позволили повысить качество обучения (табл.). Результаты второго этапа экспериментального исследования № группы Среднее время размещения одного ТСЗИ Процент правильного размещения ТСЗИ с первого раза, % Среднее количество ошибок, ошибка Среднее время изучение характеристик технических устройств, мин Среднее время выполнения всей работы, мин 1 44 с 86 2 20 61 2 1 мин 25 с 15 5 30 82 Источник: составлено М.В. Тумбинской, Б.И. Гатауллиным, Э.И. Хаеровой. Results of the second stage of the experimental study Group number Average time of placement of one technical means of information protection Percent correct placement the first time, % Average number of errors, error Average time to study the characteristics of technical devices, min Average time to complete all work, min 1 44 sec 86 2 20 61 2 1 min 25 sec 15 5 30 82 Source: compiled by Marina V. Tumbinskaya, Bulat I. Gataullin, Endzhe I. Haerova. Использование виртуальной лаборатории повысило эффективность: сократило время на 23 % (на 21 мин), увеличило точность и снизило ошибки. Студенты проявляли большую самостоятельность и мотивацию. На третьем этапе исследования проведено тестирование, оценивающее компетенции обучающихся правильно размещать ТСЗИ. Установлено, что 92 % обучающихся группы 1 показали высокий уровень компетенций по сравнению с группой 2 - 52,6 %, что подтверждает эффективность применения лаборатории в формировании профессиональных навыков в области технической защиты информации. Эксперимент показал, что такие средства, как ФЭПС-10, SEL SP-157 (разные модификации), МП-8 «Сигма-РА», СКУД ATIS № 4 и IP-камера ST-183M, не вызывают у обучающихся значительных трудностей при размещении на объекте информатизации (рис. 4). Однако средства с иным принципом действия вызывают сложности на практике. Рис. 4. Диаграмма корректно установленных Figure 4. Diagram of correctly installed information средств защиты информации с первой попытки security tools on the first attempt Источник: создано М.В. Тумбинской, Source: created by Marina V. Tumbinskaya, Б.И. Гатауллиным, Э.И. Хаеровой. Bulat I. Gataullin, Endzhe I. Haerova. Применение виртуальной лаборатории позволило повысить качество обучения за счет увеличения точности решения задач, сокращения временных затрат на выполнение кейсов и снижения частоты ошибок. Возможности применения виртуальной лаборатории в практической подготовке специалистов по ИБ подтверждают целесообразность ее использования для решения реальных задач инженерно-технической ЗИ. Заключение. Виртуальная инженерно-техническая лаборатория, реализованная на платформе Unity, используется в учебном процессе Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева - КАИ и раскрывает возможности практической подготовки специалистов по информационной безопасности за счет имитации решения реальных профессиональных задач в области инженерно-технической ЗИ. Перспективы ее развития связаны с интеграцией технологий виртуальной и дополненной реальности, что позволит формировать иммерсивные учебные среды и обеспечивать более глубокую приближенность образовательного процесса к условиям реальной профессиональной деятельности.
×

About the authors

Marina V. Tumbinskaya

Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev - KAI

Email: tumbinskaya@inbox.ru
SPIN-code: 0000-0003-3738-5242; SPIN-код: 4414-9302
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Department of Process Dynamics and Control, Institute for Computer Technologies and Information Protection 10 K. Marksa St, Kazan, Republic of Tatarstan, 420111, Russian Federation

Bulat I. Gataullin

Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev - KAI

Email: mr.bulgat12@mail.ru
SPIN-code: 0009-0004-0202-0117; SPIN-код: 6167-4265
Student, 5th year of specialization, Institute for Computer Technologies and Information Protection 10 K. Marksa St, Kazan, Republic of Tatarstan, 420111, Russian Federation

Endzhe I. Haerova

Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev - KAI

Email: engikhaer@gmail.com
SPIN-code: 0009-0001-1872-2189; SPIN-код: 2965-7150
Master’s Student, Institute for Computer Technologies and Information Protection 10 K. Marksa St, Kazan, Republic of Tatarstan, 420111, Russian Federation

References

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2026 Tumbinskaya M.V., Gataullin B.I., Haerova E.I.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.